引用本文  |
, 聶銘1 , 楊裕然1 , 張燦1 , 劉璟1 , Ming Nie1 , Yuran Yang1 , Can Zhang1 , Jing Liu1 隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，污水處理總量和餐廚垃圾(Kitchen waste，KW) 數(shù)量逐年增長，每年剩余污泥(Excess sludge，ES) 產(chǎn)量高達(dá)4 000–6 000萬t[1]，KW年均產(chǎn)量約9 000萬t[2]，預(yù)計到2025年，全球?qū)a(chǎn)生約22億t的KW[3]。目前KW和ES處理方法主要有填埋、熱能技術(shù)(焚燒、水熱處理)、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)(堆肥、厭氧消化) 等[4-6]，其中，厭氧消化因其資源回收率高、環(huán)境影響小而被認(rèn)為是一種解決各類有機(jī)廢物的經(jīng)濟(jì)有效方法。厭氧發(fā)酵液中小分子物質(zhì)，如乙酸、丙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)，在合成生物塑料[7]、螯合重金屬[8]、提高土壤肥力[9]等方面均具有重要作用。此外，VFAs作為污水處理過程中反硝化菌的碳源，能顯著提高脫氮效率，增加微生物多樣性[10]，因此，利用ES和KW的厭氧發(fā)酵液作為外部碳源的方式在污水處理廠被廣泛研究和應(yīng)用，并在長期運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)可行性。
本文總結(jié)分析了KW與ES單獨(dú)及其協(xié)同下厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的優(yōu)劣勢及其機(jī)理，以及控制厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵因素，以期為降低城市有機(jī)固體垃圾處理難度、增加資源循環(huán)同時減少環(huán)境污染提供參考。
1 單一底物厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸面臨的困境及共發(fā)酵產(chǎn)酸的優(yōu)勢在厭氧發(fā)酵過程中，復(fù)雜有機(jī)物在降解菌的作用下轉(zhuǎn)化為有機(jī)單體后，可發(fā)酵生成各類VFAs，其蛋白質(zhì)釋放量是好氧發(fā)酵的4.5倍[11]。有研究發(fā)現(xiàn)[12]，不同發(fā)酵底物構(gòu)成對VFAs的生產(chǎn)速率具有較大影響，蛋白質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)酸過程明顯短于其他基質(zhì)，油脂水解速度快，但多以長鏈脂肪酸(Long-chain fatty acids，LCFAs) 的形式存在，從而影響VFAs生產(chǎn)速率。
據(jù)報道，污水處理廠通過ES厭氧發(fā)酵產(chǎn)生VFAs，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)65%的廢水處理所需能源自給[13]。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者分別針對ES厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物回收率及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，其中，碳氮比值(Carbon/Nitrogen，C/N) 低、水解過程中產(chǎn)堿度導(dǎo)致pH值偏高均被認(rèn)為是限制ES高效生成VFAs的重要原因[14-15]。通常建議發(fā)酵C/N在20/1–30/1之間，但原污泥中的C/N僅為7.2/1[16]，Morales-Polo等[17]發(fā)現(xiàn)，ES碳氮比多數(shù)介于6到9之間，劉和等[18]研究發(fā)現(xiàn)，增加碳源濃度后，ES的VFAs總量持續(xù)增加，發(fā)酵產(chǎn)酸途徑也由乙酸向丙酸、丁酸逐步轉(zhuǎn)變。
相反，KW中充足的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪類物質(zhì)具有極高的生物降解性，各種微生物繁殖快，但由于KW存在高鹽、微量元素的限制以及水解過程酸化速度過快等特點(diǎn)[3]，單獨(dú)厭氧發(fā)酵易使微生物的生物活性受到嚴(yán)重抑制，擾亂產(chǎn)酸發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。Zhao等[16]研究發(fā)現(xiàn)，相對低濃度(0–8 g/L) 的NaCl可促進(jìn)KW中可溶性物質(zhì)的釋放和蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化，為短鏈脂肪酸的生產(chǎn)提供更多的能源物質(zhì)，同時抑制產(chǎn)甲烷過程，但相對高濃度(16 g/L) 的NaCl則顯著抑制酸化過程。此外，由于KW極易腐敗發(fā)臭，滋生蚊蠅及病原菌，傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵很難實(shí)現(xiàn)無害化處理，而污泥的穩(wěn)定性可以破壞病原體及減少刺激性氣味，因此，二者聯(lián)合發(fā)酵可以很好地彌補(bǔ)各自單獨(dú)發(fā)酵所存在的不足，實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，顯著提升ES發(fā)酵系統(tǒng)的性能，增加VFAs產(chǎn)量[19-20]。
在20世紀(jì)80年代Hills首次提出厭氧共發(fā)酵概念，他將牛糞與大麥秸稈混合發(fā)酵后發(fā)現(xiàn)：較秸稈單獨(dú)發(fā)酵而言，聯(lián)合發(fā)酵效率明顯提高[21]。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對厭氧共發(fā)酵進(jìn)行了大量研究。Wu等[15]證明KW和ES聯(lián)合發(fā)酵可同時增加水解菌和產(chǎn)酸菌數(shù)量，平均VFAs產(chǎn)量與平均酸化率均比單獨(dú)發(fā)酵顯著提升。Li等[22]的研究也表明厭氧共發(fā)酵的VFAs產(chǎn)量比KW單獨(dú)消化增長了8.38%。
2 厭氧共發(fā)酵產(chǎn)酸過程及其生物代謝機(jī)制厭氧發(fā)酵的水解與產(chǎn)酸并非相互獨(dú)立的過程，幾乎同時進(jìn)行。有機(jī)物在降解過程中，既是電子受體也是電子供體，葡萄糖經(jīng)糖酵解(Embden-Meyerhof pathway，EMP) 途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，蛋白質(zhì)在水解成氨基酸后，首先由乙酰輔酶A和丁酰輔酶A分別通過磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶(Phosphotransacetylase，PTA) 和磷酸轉(zhuǎn)丁酰酶(Phosphotransbutyrylase，PTB) 轉(zhuǎn)化為乙酰磷酸鹽和丁酰磷酸鹽，再分別由乙酰激酶(Acetyl kinase，AK) 和丁酰激酶(Butyryl kinase，BK)轉(zhuǎn)化為乙酸和丁酸[23]。脂類物質(zhì)則在脂肪酶的作用下生成LCFAs和甘油[24]，LCFAs遵循β氧化機(jī)理進(jìn)行生物降解，主要產(chǎn)物為乙酸和氫氣，甘油則在微生物的作用下分解成1, 3-丙二醇、乳酸、乙醇等(圖 1)[22-23]。
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| 圖 1 有機(jī)物厭氧發(fā)酵水解和酸化過程簡圖[23]Fig. 1 Schematic diagram of the hydrolysis and acidification of organic matter in anaerobic fermentation[23]. |
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圖選項
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根據(jù)產(chǎn)酸末端產(chǎn)物組成，可將發(fā)酵產(chǎn)酸類型分為：丁酸型發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵、乙醇型發(fā)酵。據(jù)報道，有機(jī)廢物組成差異與有機(jī)物代謝途徑相關(guān)聯(lián)，不同基質(zhì)將呈現(xiàn)出以某種VFAs或醇類為主的發(fā)酵產(chǎn)物或不同產(chǎn)率。研究發(fā)現(xiàn)，以可溶性碳水化合物為主的有機(jī)廢物在高溫條件下單獨(dú)發(fā)酵，其主要代謝產(chǎn)物為丁酸，稱為丁酸發(fā)酵途徑，當(dāng)pH低于5.0時，發(fā)酵液還原傾向增強(qiáng)，逐漸向丙酮-丁醇發(fā)酵途徑轉(zhuǎn)換[12, 25]，而以纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪為主的有機(jī)物主要代謝產(chǎn)物則為乙酸[26]。
Liu等[27]研究了不同比例的餐廚垃圾在酸性條件下(pH 5.5) 與污泥共發(fā)酵產(chǎn)酸的情況，結(jié)果表明，VFAs總濃度隨著KW占比的增加而增加，共發(fā)酵產(chǎn)VFAs的主要成分為丁酸(50.3%–73.2%)和乙酸(23.5%–37.6%)，KW單獨(dú)發(fā)酵的VFAs組成與之相似，而ES無論滅菌與否，其主要產(chǎn)物均為乙酸，占總VFAs的71.2%–75.2%。這說明污泥中的微生物并不是影響ES單獨(dú)發(fā)酵與共發(fā)酵之間VFAs類型的差異的原因，KW中的有機(jī)物可能才是影響發(fā)酵過程的主要因素。隨著乙酸累積量的增大，部分乙酸向丁酸轉(zhuǎn)化，其他類型酸(甲酸、丙酸) 濃度仍保持相對穩(wěn)定，說明高有機(jī)負(fù)荷率(Organic load rate，OLR) 有利于抑制乙酸型產(chǎn)甲烷途徑[28]。并且，當(dāng)KW與ES混合比例大于1︰1時，脂肪酸會出現(xiàn)二次積累現(xiàn)象[29]，可能是由于高負(fù)荷條件下，可溶性碳水化合物與蛋白質(zhì)優(yōu)先降解，脂肪酸在微生物利用后的剩余濃度未達(dá)到抑制餐廚垃圾中難降解的部分有機(jī)物(如纖維素) 降解的條件，纖維素隨著時間增加而溶出利用，進(jìn)而造成脂肪酸再次積累。另外，低負(fù)荷可能會使VFAs的主要類型由乙酸和丁酸向異戊酸、丁酸和乙酸轉(zhuǎn)變[30]，Jiang等[31]也得到了相似的研究結(jié)果，認(rèn)為降低負(fù)載會減緩乙酸的生成。
2.2 產(chǎn)酸途徑及發(fā)酵類型的生物代謝調(diào)節(jié)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵類型的穩(wěn)定性，主要由NADH/NAD+、ATP產(chǎn)量和發(fā)酵產(chǎn)物酸性末端產(chǎn)物量這3個因素來控制，而NADH/NAD+是影響發(fā)酵類型的最主要因素，但由于NADH與NAD+的平衡在氧化還原過程中存在失衡現(xiàn)象，因此，需要通過代謝調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)。任南琪等[25]研究認(rèn)為，高OLR條件下產(chǎn)乙酸的速率加快，導(dǎo)致H2和NADH產(chǎn)量升高，當(dāng)NADH出現(xiàn)積累，代謝途徑會逐漸向產(chǎn)丙酸途徑轉(zhuǎn)變，所以，丙酸積累極有可能是由于NADH產(chǎn)率過高所導(dǎo)致的。任南琪等[32]和王勇等[33]研究還發(fā)現(xiàn)C/N可以影響NADH/NAD+水平，促使不同發(fā)酵產(chǎn)酸類型的形成。在低C/N條件下，污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸途徑為乙酸發(fā)酵，主要是通過氨基酸之間的Stickland反應(yīng)形成，而隨著C/N的增大，丙酸和丁酸的主要代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒獾谋嵬緩?sup style="line-height: 0px; overflow-wrap: break-word; word-break: break-all;">[18]。
此外，通過調(diào)控其他限制性因子，也可實(shí)現(xiàn)定向選擇發(fā)酵類型。據(jù)趙丹等[34]分析，當(dāng)pH 5.0，較高的氧化還原電位(Oxidation-reduction potential，ORP)，可以使丁酸型發(fā)酵菌群和乙醇型發(fā)酵菌群被淘汰，轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵝桶l(fā)酵，而低ORP則形成丁酸型發(fā)酵。但ORP較低時，低pH (4.2) 又形成乙醇型發(fā)酵，當(dāng)初始生態(tài)位形成后，ORP無論是降低或升高，發(fā)酵類型始終保持不變。由此可見，pH和ORP相互制約著產(chǎn)酸相的發(fā)酵類型。據(jù)報道，堿性條件更利于VFAs的生產(chǎn)，F(xiàn)eng等[23]對pH影響VFAs形成關(guān)鍵酶活性的研究發(fā)現(xiàn)，在堿性條件下(pH 8.0)，乙酸的產(chǎn)率最高時，AK比PTA活性高，在酸性條件下(pH 4.0–5.0)，BK的活性優(yōu)于PTB，此時生成了更多的丁酸，說明由AK催化乙酰磷酸鹽及由BK控制丁酰磷酸鹽的生物轉(zhuǎn)化率更高。
2.3 微生物的群落結(jié)構(gòu)影響發(fā)酵產(chǎn)酸途徑發(fā)酵產(chǎn)酸是酸化菌群利用水解產(chǎn)生的小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為更簡單的化合物并分泌到細(xì)胞外，同時合成新的細(xì)胞物質(zhì)的過程，因此，微生物群落結(jié)構(gòu)組成對發(fā)酵途徑起著關(guān)鍵性作用。根據(jù)產(chǎn)酸微生物降解有機(jī)物的產(chǎn)物類型，可將發(fā)酵微生物分為乙醇型發(fā)酵菌群、丙酸型發(fā)酵菌群、丁酸型發(fā)酵菌群(圖 2)。
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| 圖 2 產(chǎn)酸發(fā)酵微生物代謝途徑及群落演替[26]Fig. 2 Metabolic pathways and community succession of acid-producing fermentation microorganisms[26]. |
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圖選項
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研究發(fā)現(xiàn)，豐富的有機(jī)物使3種群落在發(fā)酵前期同時存在，但仍以丙酸型發(fā)酵菌群為主。隨著發(fā)酵時間延長，可供發(fā)酵細(xì)菌代謝所需的資源緊缺，各類細(xì)菌出現(xiàn)種間競爭，優(yōu)勢菌群的組成及其生理代謝特性不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致有機(jī)物代謝途徑變化。任南琪等[25]發(fā)現(xiàn)，整個發(fā)酵過程中梭桿菌屬Fusobacterium均占據(jù)一定優(yōu)勢，其他優(yōu)勢菌屬逐漸從纖毛桿菌屬Leptotrichia、梭狀芽孢桿菌屬Clostridium向擬桿菌屬Bacteroides、氣桿菌Aerobacter轉(zhuǎn)變，發(fā)酵過程呈現(xiàn)丁酸→丙酸→丁酸→乙醇途徑變化。丁酸型發(fā)酵菌群在發(fā)酵過程中兩次成為優(yōu)勢菌群，但呈現(xiàn)的優(yōu)勢菌屬組成卻不同，隨著酸性物質(zhì)積累，Leptotrichia被演替為擬桿菌屬Bacteroides。此外，穩(wěn)定的乙醇型發(fā)酵優(yōu)勢菌群除Bacteroides、Clostridium和Fusobacterium外，還有發(fā)酵單胞屬Zymomonas，但當(dāng)Bacteroides為唯一優(yōu)勢菌群時，乙醇發(fā)酵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，此時各脂肪酸含量均較低，說明穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)及高VFAs產(chǎn)量是多類微生物共同作用的結(jié)果。當(dāng)廢水處理系統(tǒng)中以丙酸桿菌屬Propionibacterium、韋氏球菌屬Veillonella為主時，丙酸型菌群的主要產(chǎn)酸途徑為琥珀酸-丙酸途徑。
綜上所述，厭氧發(fā)酵定向產(chǎn)酸過程的有效性很大程度上取決于功能微生物的多樣性和豐度，這是一個多類微生物與環(huán)境相互作用、相互適應(yīng)的過程，因此，表征微生物群落動態(tài)對定向提高VFAs的產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義。
3 影響厭氧共發(fā)酵過程及產(chǎn)VFAs的因素微生物是厭氧共發(fā)酵過程的主體，然而溫度、pH值、預(yù)處理手段、水力停留時間(Hydraulic retention time，HRT)、OLR、混合比例等外部環(huán)境因素會影響微生物群落組成與活性，從而影響產(chǎn)酸過程與效率。
3.1 高溫有利于微生物代謝產(chǎn)酸及VFAs積累溫度對KW和ES的降解速率和產(chǎn)酸效率具有較大影響。適宜的溫度會加速厭氧微生物群落的代謝活動及種群動態(tài)變化，并對各種化合物的水解動力以及各階段中間產(chǎn)物的溶解度造成一定影響[15, 35]。據(jù)報道，產(chǎn)酸菌的最佳溫度在35 ℃左右，當(dāng)溫度低于20 ℃時，產(chǎn)酸效率將降低50%以上[25]，Cha等[36]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從30 ℃降到15 ℃時，底物的降解速率從92%降低到25%。Yuan等[37]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ES在24.6 ℃發(fā)酵6 d時的VFAs產(chǎn)量相當(dāng)于14 ℃發(fā)酵14 d的量，是4 ℃發(fā)酵9 d的VFAs產(chǎn)量的3.57倍。
而且高溫明顯促進(jìn)底物粒徑變小，更有利于蛋白質(zhì)等有機(jī)氮的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)丙酸積累，并緩沖發(fā)酵系統(tǒng)的pH[12]，因此，厭氧消化一般是在中高溫(35–60 ℃) 條件下進(jìn)行[38]。Zamanzadeh等[39]研究發(fā)現(xiàn)，高溫(55 ℃) 條件下KW的水解率和VFAs產(chǎn)量高于中溫條件，并顯著降低甲烷產(chǎn)率，Hao等[40]的研究也證明了這一觀點(diǎn)。鄭舍予[38]分析不同溫度對ES和KW共發(fā)酵產(chǎn)酸效果后發(fā)現(xiàn)，高溫(55 ℃) 條件下的VFAs產(chǎn)量是常溫(25 ℃)下的3.05倍，兩者共發(fā)酵的產(chǎn)量較污泥單獨(dú)發(fā)酵而言提高了1.24–1.87倍，說明高溫和共發(fā)酵，均能極大程度提高VFAs產(chǎn)量。
3.2 發(fā)酵液pH值影響VFAs生成及類型pH值是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)最重要的參數(shù)，產(chǎn)酸菌的敏感性稍低，可在pH 3.0–11.0的范圍內(nèi)發(fā)揮作用[20, 41]，其中，中性pH值更有利于產(chǎn)酸菌的生長，堿性pH值更利于發(fā)酵產(chǎn)酸積累。Chen等[42]和Wu等[43]研究指出堿性條件下產(chǎn)生的VFAs要大于中性和酸性條件，但同時也會產(chǎn)生許多生物無法降解的化合物，并對后續(xù)VFAs的產(chǎn)生具有抑制作用[44-45]。研究發(fā)現(xiàn)KW和ES共發(fā)酵有利于VFAs產(chǎn)生的原因是：KW在水解起始階段會形成大量的有機(jī)酸，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)pH迅速降低，不利于水解菌和產(chǎn)酸菌生長[46]，而ES厭氧發(fā)酵初始pH呈堿性，可緩沖KW水解酸化的沖擊，使pH維持在水解作用的適宜范圍，加速蛋白質(zhì)和多糖的水解速率，增強(qiáng)底物的溶解[47-48]。
此外，pH還間接影響發(fā)酵液中可被產(chǎn)酸菌群利用的可溶性底物質(zhì)量，進(jìn)而影響有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)VFAs類型和含量的差異。如徐杰[49]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH < 5.0時，主要進(jìn)行乳酸發(fā)酵，當(dāng)pH 5.0–6.0時，丁酸發(fā)酵占優(yōu)勢，當(dāng)pH > 6.0時，主要代謝產(chǎn)物為乙酸和丙酸，且在最優(yōu)條件下的丙酸濃度達(dá)(7.13±0.61) g/L[50]。綜上所述，鑒于產(chǎn)甲烷菌的最適pH為6.8–7.2，因此，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)pH調(diào)節(jié)至6.0–6.8或7.2–11.0，既有利于產(chǎn)酸微生物生長，又能減少產(chǎn)甲烷菌對VFAs的利用，實(shí)現(xiàn)VFAs的積累。
3.3 有機(jī)負(fù)荷率影響產(chǎn)酸發(fā)酵類型及VFAs產(chǎn)量OLR是指每天每體積反應(yīng)器中輸入的有機(jī)底物量，能反映厭氧消化過程中微生物處理有機(jī)物的能力[51-52]。研究發(fā)現(xiàn)，高OLR對厭氧產(chǎn)酸過程的影響是多方面的。首先，大量有機(jī)可溶性底物的持續(xù)供給，有利于提高VFAs的濃度[31]，并縮短HRT[48]。Wainaina等[52]發(fā)現(xiàn)，增加OLR 15 d后，所有反應(yīng)系統(tǒng)的VFAs濃度均呈現(xiàn)上升趨勢。李浩[48]也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR提升至5.05 g/(L·d) (HRT=15 d) 時，VFAs出現(xiàn)少量積累，提升至15.93 g/(L·d) (HRT=5 d)，VFAs濃度提高到5.81 g/(L·d)。其次，OLR也影響VFAs的類型[52]，Shen等[53]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OLR低于2.0 g/(L·d) 時，整個消化過程主要為乙醇型發(fā)酵，隨著OLR升高(> 2.0 g/(L·d))，丙酸會迅速積累，占領(lǐng)主導(dǎo)地位。此外，改變OLR也會影響微生物群落結(jié)構(gòu)[52]。Ma等[54]分析表明，隨著OLR的增加，預(yù)發(fā)酵處理氨基酸厭氧降解菌Proteiniphilum的相對豐度由12%增加到32%，成為體系中的優(yōu)勢菌群，并增加了VFAs積累。這可能是由于高OLR條件下，蛋白質(zhì)降解導(dǎo)致氨基酸濃度升高，為Proteiniphilum的繁殖提供了充足的營養(yǎng)，同時形成的高濃度氨氮也抑制產(chǎn)甲烷菌的生長。
3.4 HRT過長會抑制產(chǎn)酸微生物活性HRT是厭氧共消化中另一個重要參數(shù)，它關(guān)系到底物在發(fā)酵過程中與厭氧微生物接觸的時間，從而影響VFAs的產(chǎn)量。隨著HRT的增加，水解效率和VFAs產(chǎn)量隨之增加，但如果HRT過長，累積的VFAs會導(dǎo)致發(fā)酵液過酸，影響水解菌和產(chǎn)酸菌的生長，導(dǎo)致脫氮效率降低和運(yùn)行成本增加[55-56]。Miron等[57]研究表明：在HRT低于8 d時，產(chǎn)酸菌為優(yōu)勢菌群，而后逐漸被產(chǎn)甲烷菌代替，這可能是不同微生物的世代時間不同導(dǎo)致的。Chen等[58]利用響應(yīng)面法探究VFAs產(chǎn)量與HRT間的相關(guān)性表明，VFAs濃度隨著HRT增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在HRT 8.8 d時，VFAs達(dá)到最高濃度26.48 g/L。綜上，對于KW和ES的厭氧共消化，必須嚴(yán)格分析和優(yōu)化HRT，以避免VFAs不足或累積而影響發(fā)酵系統(tǒng)效率。
3.5 預(yù)處理促進(jìn)生物降解速率及VFAs產(chǎn)量由于KW中參與厭氧發(fā)酵的有機(jī)物多以固態(tài)形式存在，而污泥發(fā)酵受到胞外聚合物膠結(jié)和絮凝的限制，微生物胞外酶很難與這些固態(tài)底物直接有效接觸，導(dǎo)致整個過程中的水解速率和VFAs的產(chǎn)率降低。因此，采取適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方式來增加底物的溶解度，并強(qiáng)化有機(jī)廢物的生物降解速率具有重要意義。目前，促進(jìn)VFAs從KW和ES中生成的有效途徑主要包括物理預(yù)處理(超聲[59]、微波[60]、熱水解[61]、凍融/解凍[62])、化學(xué)預(yù)處理(氧化法[38]、堿解[63]、表面活性劑、零價鐵[64])、生物預(yù)處理(生物酶、生物強(qiáng)化[65]) 等。
She等[62]利用凍融/解凍的方法對ES進(jìn)行–24 ℃預(yù)處理8 h，35 ℃解凍2 h，循環(huán)操作5次，結(jié)果表示，該處理增溶作用顯著，化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD) 釋放量為955.4 mg/L，12 d內(nèi)VFAs最大累積量為4 852 mg/L，并顯著增加了Bacteroidetes和Firmicutes的豐度。Li等[66]研究表明，適當(dāng)?shù)母邷啬軌驈?qiáng)化ES中微生物的溶胞效果，對縮短發(fā)酵時間、提高乳酸、VFAs產(chǎn)量具有積極作用，經(jīng)110 ℃熱處理后VFAs產(chǎn)量得到提高。Jiang等[67]采用超聲預(yù)處理提高KW水解速率，發(fā)酵液中碳氮源的含量均出現(xiàn)不同程度的提高，70 h后VFAs的產(chǎn)量高達(dá)98.1 g/L。
事實(shí)上混合預(yù)處理更能達(dá)到低成本、高能源回收率的效果。據(jù)報道，游離亞硝酸(Free nitrous acid，F(xiàn)NA) 與堿、十二烷基苯磺酸鈉、茶皂素或烷基聚葡萄糖苷等配合使用，可產(chǎn)生大量VFAs[68-71]。Wu等[72]證明，F(xiàn)NA和冷凍協(xié)同處理可促進(jìn)增溶和有機(jī)物的釋放，短鏈脂肪酸最高濃度分別是冷凍和FNA單獨(dú)預(yù)處理的1.6倍和1.3倍。王率率等[73]研究發(fā)現(xiàn)，ES經(jīng)熱-堿混合預(yù)處理后，COD比原污泥提高了29倍，VFAs最高為9.1 g/L，可能是由于高溫和堿協(xié)同作用，加速了污泥胞外聚合物的溶解和胞內(nèi)有機(jī)物的釋放。
3.6 其他因素交互影響甲烷及VFAs產(chǎn)量在厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的過程中必然伴隨產(chǎn)甲烷過程，因此要提高有機(jī)廢物厭氧發(fā)酵積累VFAs需要適當(dāng)調(diào)整發(fā)酵條件，從而抑制甲烷生產(chǎn)。目前，對甲烷的抑制主要是針對產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌之間的生理生化特性差異來實(shí)現(xiàn)的，例如通過添加甲烷抑制劑、利用甲烷菌對氧的敏感性、避開其喜好的中性偏堿pH以及降低HRT等方法[25]。有研究表明，ES單獨(dú)發(fā)酵時，短時間內(nèi)使用1 μmol/mL的2-溴乙烷磺酸(2-Bromoethanesulfonate，BES) 可完全抑制甲烷菌的活性，并增加乙酸積累[74]，然而當(dāng)KW與ES以1︰1混合發(fā)酵時，添加BES或增加初始O2對VFAs的產(chǎn)率均沒有顯著影響，因此，在底物高負(fù)荷時，不需要外加BES抑制，底物本身代謝生成的高濃度脂肪酸或者氨氮就能抑制甲烷菌生長[30]。據(jù)報道，當(dāng)總氨濃度控制在1.7–14.0 g/L或NH3-N濃度為0.2–0.5 g/L時，會導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量降低約50%[29, 75]。在中溫條件下，0.05–0.07 g/L的油酸可抑制50%的消化性能，當(dāng)油酸濃度達(dá)到3 g/L時，可減少約73%的甲烷產(chǎn)生，并積累VFAs[76]。
C/N同樣是影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的一個重要因素，通常的發(fā)酵最佳C/N在20–30之間，而KW為高C/N基質(zhì)，ES的C/N僅6–9，因此采用合適的比例混合厭氧處理，對于改善發(fā)酵過程具有重要意義[17]。付勝濤等[77]發(fā)現(xiàn)KW和ES以1︰1的中溫混合共發(fā)酵可顯著提高脂肪酸產(chǎn)量，且緩沖效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理效率也較理想。但趙宋敏等[78]和Pan等[79]研究發(fā)現(xiàn)，同樣是中溫發(fā)酵，當(dāng)混合物質(zhì)量比為4︰1時，脂肪酸的產(chǎn)量達(dá)到最高，這可能是KW中基質(zhì)組成不一樣導(dǎo)致的。采用中心復(fù)合設(shè)計和響應(yīng)面法對KW和ES生產(chǎn)VFAs的工藝參數(shù)分析表明：KW成分占88.03%，水力停留時間為8.92 d，有機(jī)負(fù)荷為8.31 g VSS/(L·d)，發(fā)酵pH為6.99時，VFAs產(chǎn)值最高[59]。此外，適當(dāng)提高發(fā)酵底物中溶解鹽(即鈣、鎂、鉀和鈉) 含量會增強(qiáng)鹽析作用，降低脫氫酶活性，導(dǎo)致微生物生長受到抑制，降低甲烷產(chǎn)量。
綜上所述，ES和KW協(xié)同高效生產(chǎn)VFAs是多種因素共同作用的結(jié)果，最主要的原因還是發(fā)酵全程各環(huán)境因子的動態(tài)變化，導(dǎo)致微生物活性、功能微生物的豐度等發(fā)生改變，從而引起的產(chǎn)酸代謝途徑的不同。
4 厭氧共發(fā)酵積累VFAs的總結(jié)與展望KW和ES作為一種廢物原料，其厭氧發(fā)酵液具有較高的資源回收意義[7-10]，但KW發(fā)酵產(chǎn)酸受高鹽、水解過程酸化速度過快及病原物多等因素抑制，而ES存在C/N低、發(fā)酵過程產(chǎn)堿度高、功能微生物物種單一等缺點(diǎn)[3, 14-15]，單一底物進(jìn)行發(fā)酵很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性。目前大量學(xué)者利用不同廢棄物混合發(fā)酵的方法以獲得更優(yōu)的微生物產(chǎn)酸條件及VFAs產(chǎn)量[15, 22]，但由于發(fā)酵底物組成差異導(dǎo)致KW與ES協(xié)同發(fā)酵產(chǎn)物重現(xiàn)性差，VFAs類型難以實(shí)現(xiàn)定向產(chǎn)出。KW與ES協(xié)同發(fā)酵過程中，底物粒徑對產(chǎn)酸效果影響頗大，前期研究多采用超聲波或機(jī)械破碎減少餐廚垃圾粒徑從而增加接觸面積[80]，生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜。生物強(qiáng)化也限于本土微生物馴養(yǎng)或添加生物酶，而馴養(yǎng)本土微生物厭氧發(fā)酵是通過改變底物組成及環(huán)境因子形成某一特定功能的頂級微生物群落，但在實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件的實(shí)時監(jiān)控并對它的改變做出及時響應(yīng)，因此，通過馴化種群繁多的本土微生物來實(shí)現(xiàn)高效VFAs生產(chǎn)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。
大量研究表明，底物粒徑直接影響消化速率及VFAs的生成量，本實(shí)驗室前期篩選得到部分高效降解餐廚垃圾的菌株，可在24 h內(nèi)快速液化餐廚垃圾，使其粒徑迅速減小，有助于后期VFAs快速生產(chǎn)。結(jié)合該研究結(jié)果及目前面臨的問題，未來需要從以下方向開展進(jìn)一步研究：1) 結(jié)合地區(qū)飲食差異，削減環(huán)境因素(鹽度、油度、辣度等) 對VFAs產(chǎn)量帶來的影響，實(shí)現(xiàn)VFAs高效及定向生產(chǎn)。2) 接種外部微生物，構(gòu)建新的微生物產(chǎn)酸發(fā)酵體系。將上述實(shí)驗室篩選得到的菌株定向接入發(fā)酵系統(tǒng)，探索外部微生物迅速在發(fā)酵系統(tǒng)中成為優(yōu)勢菌群的條件，通過改變原有微生物群落結(jié)構(gòu)，逆向影響環(huán)境條件，形成穩(wěn)定高效的發(fā)酵產(chǎn)酸系統(tǒng)。3) VFAs的分離提取，是一項非常復(fù)雜的工藝，為避免分離技術(shù)帶來的影響，在后續(xù)的研究中，將KW與污水處理廠的原廢水進(jìn)行協(xié)同處理，接入實(shí)驗室高效反硝化菌株，可能會表現(xiàn)出更好的消化及反硝化潛能，同時有助于進(jìn)一步降低污水處理在商業(yè)化應(yīng)用中的運(yùn)行成本，成為一種新的城市有機(jī)固體垃圾處理方法。
| [1] |
Li XW, Chen LB, Mei QQ, et al. Microplastics in sewage sludge from the wastewater treatment plants in China. Water Res, 2018, 142: 75-85. DOI:10.1016/j.watres.2018.05.034
|
| [2] |
周俊, 王夢瑤, 王改紅, 等. 餐廚垃圾資源化利用技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望. 生物資源, 2020, 42(1): 87-96.
Zhou J, Wang MY, Wang GH, et al. Research status and prospect of food waste utilization technology. Biotic Resour, 2020, 42(1): 87-96 (in Chinese). |
| [3] |
Mehariya S, Patel AK, Obulisamy PK, et al. Co-digestion of food waste and sewage sludge for methane production: Current status and perspective. Bioresour Technol, 2018, 265: 519-531. DOI:10.1016/j.biortech.2018.04.030
|
| [4] |
Zhou MM, Yan BH, Wong JWC, et al. Enhanced volatile fatty acids production from anaerobic fermentation of food waste: A mini-review focusing on acidogenic metabolic pathways. Bioresour Technol, 2018, 248: 68-78.
|
| [5] |
Ng BJH, Mao Y, Chen CL, et al. Municipal food waste management in Singapore: practices, challenges and recommendations. J Mater Cycles Waste Manag, 2017, 19(1): 560-569. DOI:10.1007/s10163-015-0405-8
|
| [6] |
Chen YG, Luo JY, Yan YY, et al. Enhanced production of short-chain fatty acid by co-fermentation of waste activated sludge and kitchen waste under alkaline conditions and its application to microbial fuel cells. Appl Energy, 2013, 102: 1197-1204. DOI:10.1016/j.apenergy.2012.06.056
|
| [7] |
Pittmann T, Steinmetz H. Potential for polyhydroxyalkanoate production on German or European municipal waste water treatment plants. Bioresour Technol, 2016, 214: 9-15. DOI:10.1016/j.biortech.2016.04.074
|
| [8] |
戴世金, 周紫薇, 張子莎, 等. 餐廚垃圾有機(jī)酸發(fā)酵液淋洗去除土壤重金屬. 環(huán)境工程學(xué)報, 2019, 13(2): 381-388.
Dai SJ, Zhou ZW, Zhang ZS, et al. Removal of heavy metals using organic acids fermentation liquid derived from food waste. Chin J Environ Eng, 2019, 13(2): 381-388 (in Chinese). |
| [9] |
Chiang PN, Tong OY, Chiou CS, et al. Reclamation of zinc-contaminated soil using a dissolved organic carbon solution prepared using liquid fertilizer from food-waste composting. J Hazard Mater, 2016, 301: 100-105. DOI:10.1016/j.jhazmat.2015.08.015
|
| [10] |
Tang JL, Wang XC, Hu YS, et al. Applying fermentation liquid of food waste as carbon source to a pilot-scale anoxic/oxic-membrane bioreactor for enhancing nitrogen removal: Microbial communities and membrane fouling behaviour. Bioresour Technol, 2017, 236: 164-173. DOI:10.1016/j.biortech.2017.03.186
|
| [11] |
Novak JT, Sadler ME, Murthy SN. Mechanisms of floc destruction during anaerobic and aerobic digestion and the effect on conditioning and dewatering of biosolids. Water Res, 2003, 37(13): 3136-3144. DOI:10.1016/S0043-1354(03)00171-4
|
| [12] |
許曼娟. 餐廚垃圾—污泥共發(fā)酵過程VFAs的產(chǎn)生及降解特性研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2018.
Xu MJ. Study on the production and degradation characteristics of VFAs in co-digestion process of food waste and sludge[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2018 (in Chinese). |
| [13] |
Nghiem LD, Koch K, Bolzonella D, et al. Full scale co-digestion of wastewater sludge and food waste: Bottlenecks and possibilities. Renew Sustain Energy Rev, 2017, 72: 354-362. DOI:10.1016/j.rser.2017.01.062
|
| [14] |
Huang XD, Zhao JW, Xu QX, et al. Enhanced volatile fatty acids production from waste activated sludge anaerobic fermentation by adding tofu residue. Bioresour Technol, 2019, 274: 430-438. DOI:10.1016/j.biortech.2018.12.010
|
| [15] |
Wu QL, Guo WQ, Zheng HS, et al. Enhancement of volatile fatty acid production by co-fermentation of food waste and excess sludge without pH control: The mechanism and microbial community analyses. Bioresour Technol, 2016, 216: 653-660. DOI:10.1016/j.biortech.2016.06.006
|
| [16] |
Zhao JW, Zhang C, Wang DB, et al. Revealing the underlying mechanisms of how sodium chloride affects short-chain fatty acid production from the cofermentation of waste activated sludge and food waste. ACS Sustain Chem Eng, 2016, 4(9): 4675-4684. DOI:10.1021/acssuschemeng.6b00816
|
| [17] |
Morales-Polo C, Del Mar Cledera-Castro M, Soria BYM. Reviewing the anaerobic digestion of food waste: from waste generation and anaerobic process to its perspectives. Appl Sci, 2018, 8(10): 1804. DOI:10.3390/app8101804
|
| [18] |
劉和, 劉曉玲, 邱堅, 等. C/N對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸類型及代謝途徑的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2010, 30(2): 340-346.
|
| [19] |
Liu X, Wang W, Shi YC, et al. Pilot-scale anaerobic co-digestion of municipal biomass waste and waste activated sludge in China: Effect of organic loading rate. Waste Manag, 2012, 32(11): 2056-2060. DOI:10.1016/j.wasman.2012.03.003
|
| [20] |
Feng LY, Yan YY, Chen YG. Co-fermentation of waste activated sludge with food waste for short-chain fatty acids production: effect of pH at ambient temperature. Front Environ Sci Eng China, 2011, 5(4): 623-632. DOI:10.1007/s11783-011-0334-2
|
| [21] |
Hills DJ. Biogas from a high solids combination of dairy manure and barley straw. Trans ASAE, 1980, 23(6): 1500-1504. DOI:10.13031/2013.34805
|
| [22] |
Li ZP, Chen Z, Ye H, et al. Anaerobic co-digestion of sewage sludge and food waste for hydrogen and VFA production with microbial community analysis. Waste Manag, 2018, 78: 789-799. DOI:10.1016/j.wasman.2018.06.046
|
| [23] |
Feng LY, Chen YG, Zheng X. Enhancement of waste activated sludge protein conversion and volatile fatty acids accumulation during waste activated sludge anaerobic fermentation by carbohydrate substrate addition: the effect of pH. Environ Sci Technol, 2009, 43(12): 4373-4380. DOI:10.1021/es8037142
|
| [24] |
趙建偉. 鹽度和油脂對餐廚垃圾和剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)短鏈脂肪酸的影響與機(jī)理[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2018.
Zhao JW. Effects and mechanisms of salinity, fat, oil and grease (FOG) on short chain fatty acids production from food waste and waste activated sludge anaerobic fermentation[D]. Changsha: Hunan University, 2018 (in Chinese). |
| [25] |
任南琪, 王愛杰, 馬放. 產(chǎn)酸發(fā)酵微生物生理生態(tài)學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2005.
Ren NQ, Wang AJ, Ma F. Physiological ecology of acidogens in anaerobic biotreatment process. Beijing: Science Press, 2005 (in Chinese). |
| [26] |
王杰明, 石雅麗, 劉安禮, 等. 生物技術(shù)生產(chǎn)丁酸的研究進(jìn)展. 生物技術(shù)進(jìn)展, 2020, 10(1): 53-59.
Wang JM, Shi YL, Liu AL, et al. Research progress on butyric acid production by biotechnology. Curr Biotechnol, 2020, 10(1): 53-59 (in Chinese). |
| [27] |
Liu XY, Li RY, Ji M, et al. Hydrogen and methane production by co-digestion of waste activated sludge and food waste in the two-stage fermentation process: substrate conversion and energy yield. Bioresour Technol, 2013, 146: 317-323. DOI:10.1016/j.biortech.2013.07.096
|
| [28] |
許之揚(yáng). 餐廚垃圾固態(tài)厭氧消化過程內(nèi)源性抑制效應(yīng)研究[D]. 無錫: 江南大學(xué), 2014.
Xu ZY. Study of endogenous inhibition effects on solid-state anaerobic digestion from food wastes[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2014 (in Chinese). |
| [29] |
葛元. 餐廚垃圾與城市剩余污泥混合厭氧發(fā)酵研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2019.
Ge Y. Co-digestion of food waste and sewage sludge[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2019 (in Chinese). |
| [30] |
Lukitawesa, Patinvoh RJ, Millati R, et al. Factors influencing volatile fatty acids production from food wastes via anaerobic digestion. Bioengineered, 2020, 11(1): 39-52. DOI:10.1080/21655979.2019.1703544
|
| [31] |
Jiang JG, Zhang YJ, Li KM, et al. Volatile fatty acids production from food waste: Effects of pH, temperature, and organic loading rate. Bioresour Technol, 2013, 143: 525-530. DOI:10.1016/j.biortech.2013.06.025
|
| [32] |
任南琪, 趙丹, 陳曉蕾, 等. 厭氧生物處理丙酸產(chǎn)生和積累的原因及控制對策. 中國科學(xué)(B輯), 2002, 32(1): 83-89.
Ren NQ, Zhao D, Chen XL, et al. Mechanism and controlling strategy of the production and accumulation of propionic acid for anaerobic wastewater treatment. Science in China Series B (Chemistry), 2002, 32(1): 83-89 (in Chinese). |
| [33] |
王勇, 孫寓姣, 任南琪, 等. C/N對細(xì)菌產(chǎn)氫發(fā)酵類型及產(chǎn)氫能力的影響. 太陽能學(xué)報, 2004, 25(3): 375-378.
Wang Y, Sun YJ, Ren NQ, et al. Effect of C/N on bacterium pro-hydrogen ferment type and pro-hydrogen ability. Acta Energ Solaris Sin, 2004, 25(3): 375-378 (in Chinese). DOI:10.3321/j.issn:0254-0096.2004.03.023 |
| [34] |
趙丹, 任南琪, 王愛杰. pH、ORP制約的產(chǎn)酸相發(fā)酵類型及頂級群落. 重慶環(huán)境科學(xué), 2003, 25(2): 33-35, 38.
Zhao D, Ren NQ, Wang AJ. Fermentation type and climax community controlled by pH, ORP. Chongqing Environ Sci, 2003, 25(2): 33-35, 38 (in Chinese). DOI:10.3969/j.issn.1674-2842.2003.02.011 |
| [35] |
Appels L, Baeyens J, Degrève J, et al. Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge. Progr Energy Combust Sci, 2008, 34(6): 755-781. DOI:10.1016/j.pecs.2008.06.002
|
| [36] |
Cha GC, Chung HK, Chung JC. Suppression of acidogenic activities due to rapid temperature drop in anaerobic digestion. Biotechnol Lett, 1997, 19(5): 461-464. DOI:10.1023/A:1018300312036
|
| [37] |
Yuan Q, Sparling R, Oleszkiewicz JA. VFA generation from waste activated sludge: effect of temperature and mixing. Chemosphere, 2011, 82(4): 603-607. DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.10.084
|
| [38] |
鄭舍予. 剩余污泥聯(lián)合餐廚垃圾高溫共發(fā)酵產(chǎn)酸研究[D]. 廣州: 華東理工大學(xué), 2019.
Zheng SY. Study on waste activated sludge thermophilic co-fermentation of acidification combined with food waste[D]. Guangzhou: East China University of Science and Technology, 2019 (in Chinese). |
| [39] |
Zamanzadeh M, Hagen LH, Svensson K, et al. Anaerobic digestion of food waste — Effect of recirculation and temperature on performance and microbiology. Water Res, 2016, 96: 246-254. DOI:10.1016/j.watres.2016.03.058
|
| [40] |
Hao JX, Wang H. Volatile fatty acids productions by mesophilic and thermophilic sludge fermentation: Biological responses to fermentation temperature. Bioresour Technol, 2015, 175: 367-373. DOI:10.1016/j.biortech.2014.10.106
|
| [41] |
Hwang MH, Jang NJ, Hyun SH, et al. Anaerobic bio-hydrogen production from ethanol fermentation: the role of pH. J Biotechnol, 2004, 111(3): 297-309. DOI:10.1016/j.jbiotec.2004.04.024
|
| [42] |
Chen YG, Su J, Yuan HY, et al. Hydrolysis and acidification of waste activated sludge at different pHs. Water Res, 2007, 41(3): 683-689. DOI:10.1016/j.watres.2006.07.030
|
| [43] |
Wu HY, Yang DH, Zhou Q, et al. The effect of pH on anaerobic fermentation of primary sludge at room temperature. J Hazardous Mater, 2009, 172(1): 196-201. DOI:10.1016/j.jhazmat.2009.06.146
|
| [44] |
Li DZ, Zhou Y, Tan YM, et al. Alkali-solubilized organic matter from sludge and its degradability in the anaerobic process. Bioresour Technol, 2016, 200: 579-586. DOI:10.1016/j.biortech.2015.10.083
|
| [45] |
Lu D, Xiao KK, Chen Y, et al. Transformation of dissolved organic matters produced from alkaline-ultrasonic sludge pretreatment in anaerobic digestion: From macro to micro. Water Res, 2018, 142: 138-146. DOI:10.1016/j.watres.2018.05.044
|
| [46] |
Kim JK, Oh BR, Chun YN, et al. Effects of temperature and hydraulic retention time on anaerobic digestion of food waste. J Biosci Bioeng, 2006, 102(4): 328-332. DOI:10.1263/jbb.102.328
|
| [47] |
Horiuchi JI, Shimizu T, Tada K, et al. Selective production of organic acids in anaerobic acid reactor by pH control. Bioresour Technol, 2002, 82(3): 209-213. DOI:10.1016/S0960-8524(01)00195-X
|
| [48] |
李浩. 溫度及有機(jī)負(fù)荷對餐廚垃圾與剩余污泥共發(fā)酵特性的影響研究[D]. 西安: 西安建筑科技大學(xué), 2017.
Li H. Effects of temperature and organic loading rate on co-digestion of food waste and waste activated sludge[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2017 (in Chinese). |
| [49] |
徐杰. 廚余垃圾厭氧消化水解產(chǎn)酸及動力學(xué)研究[D]. 沈陽: 沈陽航空航天大學(xué), 2014.
Xu J. The study of kinetics and hydrolysis and acidogenisis in anaerobic digestion of kitchen waste[D]. Shenyang: Shenyang University of Aeronautics and Astronautics, 2014 (in Chinese). |
| [50] |
Chen YG, Li X, Zheng X, et al. Enhancement of propionic acid fraction in volatile fatty acids produced from sludge fermentation by the use of food waste and Propionibacterium acidipropionici. Water Res, 2013, 47(2): 615-622. DOI:10.1016/j.watres.2012.10.035
|
| [51] |
孟棟, 李枘枘, 劉玉玲, 等. 利用剩余活性污泥合成聚羥基脂肪酸酯的研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報, 2019, 35(11): 2165-2176.
Meng D, Li RR, Liu YL, et al. Advances in synthesis of polyhydroxyalkanoates by using residual activated sludge. Chin J Biotech, 2019, 35(11): 2165-2176 (in Chinese). |
| [52] |
Wainaina S, Awasthi MK, Horváth IS, et al. Anaerobic digestion of food waste to volatile fatty acids and hydrogen at high organic loading rates in immersed membrane bioreactors. Renew Energy, 2020, 152: 1140-1148. DOI:10.1016/j.renene.2020.01.138
|
| [53] |
Shen F, Yuan HR, Pang YZ, et al. Performances of anaerobic co-digestion of fruit & vegetable waste (FVW) and food waste (FW): Single-phase vs. two-phase. Bioresour Technol, 2013, 144: 80-85. DOI:10.1016/j.biortech.2013.06.099
|
| [54] |
Ma XX, Yu M, Song N, et al. Effect of ethanol pre-fermentation on organic load rate and stability of semi-continuous anaerobic digestion of food waste. Bioresour Technol, 2020, 299: 122587. DOI:10.1016/j.biortech.2019.122587
|
| [55] |
He Y, Wang YH, Song XS. High-effective denitrification of low C/N wastewater by combined constructed wetland and biofilm-electrode reactor (CW-BER). Bioresour Technol, 2016, 203: 245-251. DOI:10.1016/j.biortech.2015.12.060
|
| [56] |
Feng LY, Wang H, Chen YG, et al. Effect of solids retention time and temperature on waste activated sludge hydrolysis and short-chain fatty acids accumulation under alkaline conditions in continuous-flow reactors. Bioresour Technol, 2009, 100(1): 44-49. DOI:10.1016/j.biortech.2008.05.028
|
| [57] |
Miron Y, Zeeman G, Van Lier JB, et al. The role of sludge retention time in the hydrolysis and acidification of lipids, carbohydrates and proteins during digestion of primary sludge in CSTR systems. Water Res, 2000, 34(5): 1705-1713. DOI:10.1016/S0043-1354(99)00280-8
|
| [58] |
Chen H, Wu HY. Optimization of volatile fatty acid production with co-substrate of food wastes and dewatered excess sludge using response surface methodology. Bioresour Technol, 2010, 101(14): 5487-5493. DOI:10.1016/j.biortech.2010.02.013
|
| [59] |
Cheng C, Zhou Z, Qiu Z, et al. Enhancement of sludge reduction by ultrasonic pretreatment and packing carriers in the anaerobic side-stream reactor: Performance, sludge characteristics and microbial community structure. Bioresour Technol, 2018, 249: 298-306. DOI:10.1016/j.biortech.2017.10.043
|
| [60] |
Gelegenis J, Georgakakis D, Angelidaki I, et al. Optimization of biogas production by co-digesting whey with diluted poultry manure. Appl Energy, 2017, 32(13): 2147-2160.
|
| [61] |
Carlsson M, Lagerkvist A, Morgan-Sagastume F. Energy balance performance of municipal wastewater treatment systems considering sludge anaerobic biodegradability and biogas utilisation routes. J Environ Chem Eng, 2016, 4(4): 4680-4689. DOI:10.1016/j.jece.2016.10.030
|
| [62] |
She YC, Hong JM, Zhang Q, et al. Revealing microbial mechanism associated with volatile fatty acids production in anaerobic acidogenesis of waste activated sludge enhanced by freezing/thawing pretreatment. Bioresour Technol, 2020, 302: 122869. DOI:10.1016/j.biortech.2020.122869
|
| [63] |
Li H, Li CC, Liu WJ, et al. Optimized alkaline pretreatment of sludge before anaerobic digestion. Bioresour Technol, 2012, 123: 189-194. DOI:10.1016/j.biortech.2012.08.017
|
| [64] |
Luo K, Pang Y, Yang Q, et al. A critical review of volatile fatty acids produced from waste activated sludge: enhanced strategies and its applications. Environ Sci Pollut Res, 2019, 26(14): 13984-13998. DOI:10.1007/s11356-019-04798-8
|
| [65] |
劉亞利. 剩余污泥強(qiáng)化預(yù)處理及其厭氧產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.
Liu YL. Study on enhanced pretreatment and anaerobic acidification and methanantion of waste activated sludge[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015 (in Chinese). |
| [66] |
Li J, Zhang WJ, Li X, et al. Production of lactic acid from thermal pretreated food waste through the fermentation of waste activated sludge: effects of substrate and thermal pretreatment temperature. Bioresour Technol, 2018, 247: 890-896. DOI:10.1016/j.biortech.2017.09.186
|
| [67] |
Jiang JG, Gong CX, Wang JM, et al. Effects of ultrasound pre-treatment on the amount of dissolved organic matter extracted from food waste. Bioresour Technol, 2014, 155: 266-271. DOI:10.1016/j.biortech.2013.12.064
|
| [68] |
Zhao JW, Wang DB, Li XM, et al. Free nitrous acid serving as a pretreatment method for alkaline fermentation to enhance short-chain fatty acid production from waste activated sludge. Water Res, 2015, 78: 111-120. DOI:10.1016/j.watres.2015.04.012
|
| [69] |
Zhao JW, Liu YW, Ni BJ, et al. Combined effect of free nitrous acid pretreatment and sodium dodecylbenzene sulfonate on short-chain fatty acid production from waste activated sludge. Sci Rep, 2016, 6(1): 21622. DOI:10.1038/srep21622
|
| [70] |
Xu QX, Liu XR, Zhao JW, et al. Feasibility of enhancing short-chain fatty acids production from sludge anaerobic fermentation at free nitrous acid pretreatment: Role and significance of Tea saponin. Bioresour Technol, 2018, 254: 194-202. DOI:10.1016/j.biortech.2018.01.084
|
| [71] |
Liu Y, Zhao JW, Li XM, et al. Synergistic effect of free nitrite acid integrated with biosurfactant alkyl polyglucose on sludge anaerobic fermentation. Waste Manag, 2018, 78: 310-317. DOI:10.1016/j.wasman.2018.05.053
|
| [72] |
Wu YQ, Song K, Sun XY, et al. Mechanisms of free nitrous acid and freezing co-pretreatment enhancing short-chain fatty acids production from waste activated sludge anaerobic fermentation. Chemosphere, 2019, 230: 536-543. DOI:10.1016/j.chemosphere.2019.05.107
|
| [73] |
王率率, 陸小游, 姜謙, 等. 城鎮(zhèn)污水廠剩余污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工程示范研究. 環(huán)境科學(xué)研究, 2020, 33(12): 2829-2837.
Wang SS, Lu XY, Jiang Q, et al. Full-scale volatile fatty acids production from excess sludge of municipal wastewater treatment plant by anaerobic fermentation. Res Environ Sci, 2020, 33(12): 2829-2837 (in Chinese). |
| [74] |
Zinder SH, Anguish T, Cardwell SC. Selective inhibition by 2-bromoethanesulfonate of methanogenesis from acetate in a thermophilic anaerobic digestor. Appl Environ Microbiol, 1984, 47(6): 1343-1345. DOI:10.1128/AEM.47.6.1343-1345.1984
|
| [75] |
El Hadj TB, Astals S, Galí A, et al. Ammonia influence in anaerobic digestion of OFMSW. Water Sci Technol, 2009, 59(6): 1153-1158. DOI:10.2166/wst.2009.100
|
| [76] |
Dasa KT, Westman SY, Millati R, et al. Inhibitory effect of long-chain fatty acids on biogas production and the protective effect of membrane bioreactor. BioMed Res Int, 2016, 2016: 7263974.
|
| [77] |
付勝濤, 于水利, 嚴(yán)曉菊, 等. 剩余活性污泥和廚余垃圾的混合中溫厭氧消化. 環(huán)境科學(xué), 2006, 27(7): 1459-1463.
Fu ST, Yu SL, Yan XJ, et al. Co-digestion of waste activated sludge and kitchen garbage. Environ Sci, 2006, 27(7): 1459-1463 (in Chinese). DOI:10.3321/j.issn:0250-3301.2006.07.040 |
| [78] |
趙宋敏, 李定龍, 戴肖云, 等. 溫度對廚余垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響. 環(huán)境污染與防治, 2011, 33(3): 44-47, 64.
Zhao SM, Li DL, Dai XY, et al. The influence of temperature on acid production during anaerobic fermentation of kitchen garbage. Environ Pollut Control, 2011, 33(3): 44-47, 64 (in Chinese). DOI:10.3969/j.issn.1001-3865.2011.03.009 |
| [79] |
Pan Y, Zhi ZX, Zhen GY, et al. Synergistic effect and biodegradation kinetics of sewage sludge and food waste mesophilic anaerobic co-digestion and the underlying stimulation mechanisms. Fuel, 2019, 253: 40-49. DOI:10.1016/j.fuel.2019.04.084
|
| [80] |
Carlsson M, Lagerkvist A, Morgan-Sagastume, F, et al. The effects of substrate pre-treatment on anaerobic digestion systems: a review. Waste Manag, 2012, 32(9): 1634-1650. DOI:10.1016/j.wasman.2012.04.016
|
